Раздел 5. Компенсаторы и измерительные мосты

Тема 5.1. Упрощенная электрическая схема компенсатора постоянного тока. Четырёхплечный мост.

Рассмотренные ранее приборы электромеханической группы являются приборами непосредственной оценки измеряемого параметра и все (в большей или меньшей степени) потребляют мощность из измерительной цепи, что может приводить к нарушению работы исследуемого объекта. Измерение тока и напряжения аналоговыми электромеханическими приборами возможно в лучшем случае с погрешностью 0,l % (класс точности прибора 0,1).Более точные измерения можно выполнить методом сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсаторами или потенциометрами.

Компенсаторы — приборы, в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется индикаторным прибором (нуль-индикатором), Разработаны компенсаторы переменного и постоянного тока. Компенсационный метод применяется также в цифровых измерительных приборах.

Рис. 5.1 Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока

Источник, постоянного напряжения Е₀ обеспечивает протекание рабочего тока I_р по цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного R_и , установочного (образцового) R_у и регулировочного R_рег резисторов.

Установочный резистор R_у , представляет собой катушку сопротивлений специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. В схеме элемент НИ — нуль-индикатор, реагирующий на очень маленькие постоянные токи. С помощью переключателя нуль-индикатор вначале включается в цепь установочного сопротивления R_у (положение переключателя 1). При этом регулировочным сопротивлением R_рег добиваются отсутствия тока в цепи НИ. Это означает, что I_р R_у= Е_нэ, откуда значение рабочего тока определяется через соотношение:

(5.1)

где Е_нэ – напряжение источника.

Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение переключателя 2) и изменением измерительного сопротивления R_и -добиваются нулевого тока, а значит; равенства:

(5.2)

Итак, измеряемое напряжение определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы измерительной цепи, так как в момент измерения ток через индикатор не протекает

При измерениях напряжений на производстве применение находят автоматические компенсаторы, в которых поддерживается разностное значение с помощью следящей системы.

Мосты широко используют для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь. На основе мостовых схем выпускают приборы для измерения неэлектрических величин (температуры, перемещений и др.) и различные устройства автоматики. Широкое применение мостов объясняется возможностью получения высокой точности результатов измерений, высокой чувствительности и возможностью измерения различных величин.

В зависимости от характера сопротивлений плеч, образующих мост, и рода тока, питающего мост, выделяют мосты:

- постоянного тока;

- переменного тока.

В зависимости от вида схемы (числа плеч) мосты постоянного тока бывают:

- четырехплечие (одинарные);

- шестиплечие (двойные).

Мосты выпускаются с ручным и автоматическим уравновешиванием.

Мост постоянного тока содержит четыре резистора, соединенных в кольцевой замкнутый контур. Резисторы R₁, R₂, R₃ и R₄ этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч – вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Одна из диагоналей (3-4) содержит источник питания GB, а другая (1-2) — указатель равновесия PG.

Мост называется уравновешенным, если разность потенциалов между точками 1 и 2 равна нулю, т.е. напряжение на диагонали, содержащей индикатор нуля, отсутствует и ток через индикатор равен нулю.

Рис.5.2. Схема четырехплечего (одинарного) моста постоянного тока

Для того чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч неизвестно (например, R₁ = R_x), то условие равновесия будет иметь вид:

(5.3)

Таким образом, измерение при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления R_x с образцовым сопротивлением R₂ при сохранении неизменным отношения R₃/R₄. По этой причине плечо R₂ называют плечом сравнения, плечи R₃ и R₄ — плечами отношения.